【经验】高集成隔离反激式转换器BD7F200,BD7F100有效降低隔离电源设计的复杂性

在设计用于高压或靠近人类的应用中，电流隔离是用于这些应用的电源的关键要求。反激式转换器提供有效的隔离电源解决方案，但为了确保在宽负载范围内提供稳定输出，可能存在极大的设计挑战。

为了帮助设计师克服这些挑战，本文将描述电流隔离时所遇到的问题，然后使用特定型号的转换器作为示例来指出要实现成功设计的一些必备因素。

通过反激式拓扑结构设计高效电源面临巨大挑战，需要电力设计专家的大量专业知识。如今，对更快、更简单的设计交付的需求加剧了使用传统方法的难度。对于设计人员而言，使用较新的集成器件（如ROHM BD7F系列）可为实现更简单设计提供有效的解决方案，从而加快产品上市速度。

在转换器拓扑结构中，反激式转换器可提供电流隔离，即使在分立设计中也只需要相对较少的部件。从根本上说，反激式转换器是一款利用变压器的降压-升压转换器。但是反激式转换器的开关拓扑可实现输出调节，其变压器提供电流隔离，并允许您通过选择合适的绕组比来选择输入/输出电压比。

反激反馈

在操作中，电流流过反激式转换器的变压器的初级侧，使得能量存储在变压器中。当转换器的电源开关关闭时，存储的能量将传输到输出。为了调节其输出，反激式转换器使用了反馈电路，将输出电压电平与所需电压值进行比较，并相应地调整输出。为了隔离反馈回路本身，传统的隔离式反激型电源使用光耦合器（图1顶部）或者变压器辅助绕组（图1底部）。

图1：传统的反激式转换器使用与光耦合器（顶部）或辅助绕组（底部）隔离的反馈回路来调节其输出

高度集成的反激式控制器的出现为需要创建更小隔离电源的应用提供了显著优势。虽然与许多替代解决方案相比，这些控制器减少了部件数量，但它们确实还需要外部FET作为电源开关。控制器通过驱动外部FET来控制电源的输出电压。

相比之下，德州仪器LM5001（图1）等转换器集成了FET开关，可进一步减少部件数量并缩小整体解决方案尺寸。但是这种更高的集成度是有代价的，因为内部FET开关限制了转换器可以处理的最大电压和峰值电流。例如，LM5001转换器的电压和电流限制分别为75V和1A。

然而，对于许多移动和物联网设计，最新的转换器，如ROHM半导体推出的BD7F200（24V_IN时输出为10W）和BD7F100（24V_IN时输出为10W）提供了更加引人注目的优势，具有进一步简化设计的能力并且减少零件数量更加显著。

这种减少是可能的，因为这些器件可从初级侧检测次级侧的电压和电流，无需单独的光耦合器或具有第三级绕组的变压器。因此，您只需使用简单的变压器和一些额外的无源元件即可创建高效的隔离电源（图2）。

图2：ROHM BD7F系列隔离式转换器通过初级侧检测来调节电压输出

基于这些部件的隔离反激式转换器设计可提供更大的尺寸减小，更高的可靠性和节能效果。为了加速开发，ROHM提供完整配置的评估板，以帮助客户将这些集成解决方案应用到他们自己的设计中（图3）。

图3：ROHM半导体的BD7F100HFN-EVK-001评估套件

单片式转换器

传统的反激式转换器设计通常使用误差放大器来校正其输出电压。相比之下，BD7F系列采用了一种基于比较器的称之为自适应ON-TIme控制的方法。在工作期间，电路通过将其内部参考电压与其SW端子处监控的反馈电压进行比较来确定ON和OFF时间（图4）。

图4：ROHM BD7F系列自适应导通时间控制器依靠比较器来检测初级侧反馈电压，以根据需要调整开关占空比，从而维持稳定的输出电压

自适应导通时间控制方法在输出稳定性方面具有显著优势。事实上，这些器件能够在1A的负载电流和100μs的上升时间内将输出电压波动限制在200mV以内。因此，这些器件可以快速响应负载瞬变，从而降低输出波动（图5）。

图5：ROHM BD7F隔离转换器中使用的自适应导通时间控制方法有助于确保负载瞬变（上部波形）期间输出电压波动（较低波形）限制在约200mV内

使用此控制方法，BD7F转换器最终根据以下内容提供V_OUT：

公式1：

其中：

R_FB是FB-SW端子之间的外部电阻

RREF是REF-AGND端子之间的外部电阻

NP是变压器初级侧的匝数

NS是变压器次级侧的匝数

VREF是REF端子的电压

VF是输出二极管的正向电压VF

IS是次级变压器电流

ESR是次级侧的总阻抗

该等式中显示的一个值得注意的结果是，您可以通过选择适当的变压器初级和次级匝数比，以及通过调整电阻RFB和RREF的比率来部分设置输出电压。

该等式进一步说明输出电压电平也受到由VF和ESR确定的输出电压误差的影响。通过选择具有小VF的肖特基势垒二极管可以减少该误差。然而，ESR更难以控制，因为它是次级侧的总阻抗，包括变压器绕线电阻和印刷电路板阻抗。

即使采用最佳二极管选择和仔细的ESR管理，您的应用中也可能出现输出电压误差，从而导致负载调节不良。为了降低这些固有误差源的影响，BD7F器件采用内部负载补偿功能，可显著改善器件输出电流范围内的输出电压调节。

可使用连接到器件COMP引脚的电阻和电容来设置负载补偿系数。电容CCOMP有助于稳定VCOMP（见图4）。ROHM建议使用0.01μF至0.1μF的CCOMP值。在选择RCOMP时，可以使用以下等式估算所需的电阻值：

公式2：

其中：

RVF是二极管正向电阻，近似于由于Is引起的Vf变化

ESR是次级侧的总阻抗

K是压缩放大倍数（在这种情况下定义为1/50k）

RFB是FB-SW端子之间的外部电阻

NP是变压器初级侧的匝数

NS是变压器次级侧的匝数

尽管该等式为RCOMP提供了理论值，但各种电阻（RVF，RFB和ESR）取决于设计、元件和印刷电路板的细节。因此，您需要通过在应用的负载电流范围内测量VOUT并相应地调整RCOMP来确定RCOMP的实际值。

实际考虑

除了其许多优点之外，反激式拓扑确实还存在缺点。在电源开关的漏极和次级整流器处经常会出现大的瞬态电压尖峰。这些电压尖峰来自变压器固有的漏电感，该漏电感与存储在不完美耦合绕组中的少量能量有关。

在BD7F器件中，当尖峰发生或集成MOSFET关断时，SW引脚会发生振铃。此外，当MOSFET导通时，输出二极管中可能会出现反向尖峰电压。因此，您通常需要添加一个简单的缓冲电路来控制漏电感的影响并提高电源的可靠性。

结论

反激式转换器拓扑可提供隔离，并且通过相对较少的附加组件来产生相当有效的电源。然而，用于调节这些转换器的传统方法需要使用光耦合器或具有三级绕组的复杂变压器。

相比之下，较新的集成转换器（如ROHM BD7F系列）可实现输出电压调节，而无需这些额外组件。使用这些器件，可以使用更少的附加组件创建高效的隔离电源，并且在更小的占地面积内提供更高的可靠性。